Evaluation on ecosystem changes and protection of the national key ecological function zones in mountainous areas of central Hainan Island
HOUPeng通讯作者:
收稿日期:2017-05-22
修回日期:2017-08-28
网络出版日期:2018-03-21
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.
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1 引言
联合国人类环境大会和联合国环境与发展会议的召开,历史性地推动着全世界共同行动起来保护生态环境。为了履行国际职责和推进区域生态保护,中国推行实施了分类分区的生态政策。先后设立了自然保护区、重点(要)生态功能区、生物多样性保护优先区等多种类型的生态保护重要区域,总面积约为536.59万km2,占陆地国土面积的55.89%,对于保障国家和区域生态安全发挥了重要作用[1]。为了更好地提高区域生态系统管理水平和保护成效,针对生态保护重要区域的生态状况变化评估和成效分析等相关研究逐渐增多,研究角度也各不相同。目前,相关研究既包括利用多个监测指标针对单一类型保护区域的成效评估[2,3,4],也包括对不同生态保护重要区域空间叠加分析与生态安全格局的评价[1, 5],也有****以保护目标为出发点,构建敏感性的生态监测指标,开展生态保护重要区域的干扰分析[6],或基于敏感性生态参数,耦合时空变化差异,开展保护成效的相对评价[7]。总体上,这些监测与评估采用的指标大多是生态系统类型或生态要素的直观反映,刻画的对象主要包括生态系统格局与特定生态参数变化。随着生态系统服务概念的提出和研究深入,人与自然的关系得到了更深的理解和全新的认知。在联合国千年生态系统评估项目的实施中,基于供给、支持、调节和文化4种类型生态系统服务清晰地阐述了生态系统与人类福祉之间的复杂关系,推动着管理决策者开始考虑并重视生态系统服务管理。目前,生态系统服务已经成为联合国、国际组织和国家政府开展生态系统综合评估的核心内容之一[8,9]。在此背景下,中国政府和相关部门从区域尺度不断地探索和实践着生态系统服务管理,2010年国务院发布《全国主体功能区规划》确定了25个国家重点生态功能区。作为生态服务功能和国家生态安全保障的关键区域,国家重点生态功能区的划定和实施,对于促进区域可持续发展和改善人类福祉具有重要意义。目前,针对重点生态功能区的研究,主要集中在宏观层面的生态补偿[10]和转移支付[11]、发展路径选择[12]、生态系统服务[13]、生态系统变化[14]等方面研究。由于重点生态功能区划定时间较晚,以生态系统服务为核心,综合评估国家重点生态功能区保护成效的研究还不多见。
生态功能保护区概念于2000年国务院发布的《全国生态环境保护纲要》中被首次提出,建立了阴山北麓科尔沁沙地等10个国家生态功能保护区作为试点。2001年海南省中部山区被列为国家生态功能保护区试点,2005年海南省批准实施《海南中部山区国家级生态功能保护区规划》。2007年,原国家环境保护总局发布《国家重点生态功能保护区规划纲要》,联合中国科学院发布《全国生态功能区划》确定50个国家重要生态功能区,2015年修编后增加至63个。历时17年不断探索和发展完善,在生态功能保护区概念基础上逐步提出了重要和重点生态功能区的概念。2010年发布的《全国主体功能区规划》将海南岛中部山区确定为国家重点生态功能区。海南岛中部山区热带雨林国家重点功能区是中国生物多样性高度富集的地区之一,其生态系统结构和服务功能的变化对当地社会经济发展高度敏感。本文综合利用1990-2013年多源卫星遥感数据和地面观测统计数据,集成地统计学和生态评估模型模拟方法,以生态系统格局、植被长势、服务功能为评估核心内容,以“综合状况—变化趋势”为评估模式[8],通过样区时空尺度拓展和多维时空对比分析,解释了该区域生态系统时空变化特征和保护成效,为提升国家重点生态功能区的生态系统整体服务能力提供科学依据。
2 数据资料与方法
2.1 研究区概况
研究区为海南岛中部山区国家重点生态功能区,包括五指山市、琼中黎族苗族自治县(简称琼中县)、白沙黎族自治县(简称白沙县)、保亭黎族苗族自治县(简称保亭县)4个县市,位于海南岛中南部地区的中山低山及部分丘陵,总面积约9200 km2,约占海南岛陆域总面积的27.1%,主要生态服务功能为生物多样性维持和水源涵养功能。海南岛中部山区是海南岛生物多样性重要地区和江河源头区、重要水源涵养区、水土保持的重要预防区和重点监督区,在维护海南岛生态平衡、减轻自然灾害、保障生态安全等方面具有重要作用。2.2 数据资料
基于1990-2013年美国陆地资源卫星、中巴资源卫星、环境卫星等多源卫星遥感数据判读解译获得土地利用/覆被数据[15],获得海南岛生态系统类型构成及其空间分布数据。归一化植被指数(NDVI)数据来源于MODIS数据产品MOD13Q1(https://lpdaac.usgs.gov),空间分辨率为250 m,时间分辨率为16 d,利用Savitzky-Golay滤波对长时间序列NDVI数据进行处理后去掉云和大气等带来噪声[16,17],结果得到年均NDVI数据用于分析。年降雨量等气象数据来源于国家气象科学数据共享平台(http://data.cma.cn/),包括19个国家级地面观测台站,其中9个分布于海南,10个分布于海南周边的广东和广西,利用Anusplin插值获得250 m空间分辨率栅格数据。2.3 研究方法
为分析生态系统类型构成及其时空分布特征,本文基于农田、森林、草地、水体与湿地、建设用地、裸地等6种生态系统类型,选择了不同生态系统类型面积占区域总面积比例为主要统计指标。为分析陆表植被长势时空变化特征,选择NDVI年均值为主要指标参数。水源涵养服务功能评估采用了降水贮存量法[18]估算得到的水源涵养量为主要指标。具体计算参数中,年均降水量基于地面气象站点观测数据插值而成。通过收集文献资料发表的实测降雨产流临界值,以临近国家气象台站实测日降水数据修正同时期TRMM逐日3 h降水量数据,累积单次降雨量大于降雨产流临界值的数值得到单点产流降雨量占降雨总量的比例,再与多年平均河川径流系数建立线性关系,得到区域产流降雨量占降雨总量比例的空间分布。森林减少径流的效益系数主要通过已有的文献资料收集得到,草地降雨径流率根据草地植被覆盖度计算得到。
水土保持服务功能评估采用了修正的水土流失通用方程估算得到的土壤保持量为主要指标。土壤保持量为生态系统在极度退化状况下的土壤流失量与现实状况下土壤流失量的差值。具体参数计算中,单位面积土壤流失量采用了修正的通用水土流失方程[17]估算单位面积土壤流失量,采用日降雨量拟合模型估算降雨侵蚀力[20],采用Nomo图法[21]和1∶100万土壤数据库估算土壤可蚀性因子,采用McCool等[22]和Liu等[23]方法估算坡度坡长因子,采用蔡崇法等[24]方法估算盖度和管理因子。
生物多样性保护服务功能采用生物多样性人类扰动指数为主要指标,扰动指数通过不同生态系统类型及不同级别的扰动程度构建获得[6]。扰动指数值越高,表示人类活动对生物多样性维护功能的威胁程度越高,生物多样性保护功能越低。研究中只考虑有自然植被分布生态系统类型的人类扰动,未利用地的人类扰动只考虑有盐生植被分布的盐碱地和湿生植被分布的沼泽地,而没有考虑对冰雪、沙地、戈壁、裸地、裸岩石砾地等稀少植被或无植被分布生态系统类型的人类扰动。
3 结果与分析
3.1 生态系统现状评估
3.1.1 生态系统类型构成与空间分布 2013年,海南岛生态系统类型分布如图1所示,森林生态系统主要分布在海南岛中部,边缘是农田和建设用地,北部比南部分布更为集中、连片。从面积来看,森林生态系统面积最大,占到全岛陆域面积的63.6%,其次为农田生态系统,面积占比为25.7%。分析功能区内外的生态系统类型构成,内部生态系统以森林和农田为主,且森林面积占比明显高于全岛水平,达到84.5%;农田面积占比仅为8.2%。功能区外森林面积占比仅为58.0%,比内部低26.5个百分点。功能区外农田面积占比达到30.4%,比内部高22.2个百分点(图2)。总体来看,功能区内部的自然植被生态系统面积远高于功能区外部,且内部生态本底较优。显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图12013年海南岛生态系统类型空间分布
-->Fig. 1Spatial distribution of ecosystem types of Hainan Island in 2013
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图22013年海南岛生态系统类型统计特征
-->Fig. 2Statistical characteristics of ecosystem types of Hainan Island in 2013
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3.1.2 陆表植被长势现状 基于长时间序列的MODIS数据,以NDVI为陆表植被长势评估指标,辨识2000-2013年间植被长势时空分布状况。结果表明,功能区内部陆表植被长势明显优于外部,功能区外部17个县市的NDVI值分布在0.58~0.79之间,NDVI均值为0.67;功能区内部4个县市NDVI值均大于0.75,NDVI均值为0.78,比功能区外部高0.11。NDVI最高值分布在白沙县和琼中县,为0.78,NDVI最低值分布在海口市的美兰区和文昌市,分别为0.58和0.61(图3)。
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图32013年海南岛各区县NDVI统计特征
-->Fig. 3Statistical characteristics of NDVI in districts and counties of Hainan Island in 2013
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3.1.3 生态系统服务功能现状 基于降水贮存量法模拟得到海南岛生态系统水源涵养量,功能区内部水源涵养量均值为51.78万m3/km2,功能区外部均值为32.97万m3/km2,比内部低18.81万m3/km2。全岛21个县市中,水源涵养量最大的3个县市均位于功能区内,分别是保亭县、五指山市和琼中县,水源涵养量均高于53万m3/km2。水源涵养量最低的是临高县和东方市,分别为21.09万m3/km2和22.66万m3/km2(图4)。
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图42013年海南岛各区县水源涵养量统计特征
-->Fig. 4Statistical characteristics of water conservation in districts and counties of Hainan Island in 2013
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基于修正的通用水土流失方程模拟得到海南岛生态系统土壤保持量,功能区内部土壤保持量均值为19540 t/km2,功能区外部均值为6339 t/km2,比内部低13201 t/km2。全岛21个县市中,土壤保持量最大的3个县市均位于功能区内,分别为五指山市、保亭县和琼中县,土壤保持量均高于18100 t/km2。土壤保持量最低的是龙华区和秀英区,分别为577 t/km2和931 t/km2(图5)。
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图52013年海南岛各区县土壤保持量统计特征
-->Fig. 5Statistical characteristics of soil conservation in districts and counties of Hainan Island in 2013
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海南岛人类扰动指数平均为0.4597,空间分布如图6所示。全岛各县市中心、沿海等地区人工建设用地面积广布,人类扰动程度明显高于其他地区。中部地区以森林、草地为主,扰动程度相对较低。各县人类扰动程度相比,美兰区人类扰动程度最高,近0.55,五指山市人类扰动程度最小,仅0.35。美兰区、龙华区等10个县市高于全岛平均扰动程度,其他县市低于全岛平均人类扰动程度。功能区内部的五指山市、琼中县、白沙县及保亭县等4个县市是海南岛所有21个县市最低的区域,功能区平均人类扰动指数只有0.3664。功能区外部平均人类扰动指数为0.4816,比内部高0.1152,相应的功能区外部人类活动对生物多样性维护功能的威胁程度更高(图7)。
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图62013年海南岛人类扰动指数空间分布
-->Fig. 6Spatial distribution of human disturbance index of Hainan Island in 2013
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图72013年海南岛各县市人类扰动指数统计特征
-->Fig. 7Statistical characteristics of human disturbance index in districts and counties of Hainan Island in 2013
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3.2 生态系统变化与成效分析
3.2.1 生态系统类型时空变化特征与成效分析 1990-2013年间,功能区外部森林和农田呈现减少趋势,面积比例分别从58.3%和31.9%降低到58.0%和30.3%;建设用地增加幅度明显,面积比例从2.3%增加到4.6%,主要分布在海南岛海岸线附近及北部农田区域,主要由城镇化不断加剧、旅游资源逐渐释放引起(图8)。功能区内部森林面积比例从85%减少到84.5%,农田面积比例从7.8%增加到8.2%;建设用地略有增加趋势,且在2010-2013年间变化最为明显,面积比例从0.5%增加到0.8%,主要增加类型为城乡、村落等建设用地,但增加量远低于功能区外部,面积比例从3.1%增加到4.6%。这表明尽管在功能区内部人类活动干扰较少,但仍然不容忽视,并且有逐渐加剧的特征。显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图81990-2013年海南岛重点生态功能区内外生态系统构成变化统计特征
-->Fig. 8Statistical characteristics of ecosystem composition change in and out of key ecological function zone of Hainan Island, 1990-2013
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3.2.2 陆表植被长势时空变化特征与成效分析 2000-2013年间,功能区内部和外部NDVI均值呈逐渐上升的变化特征。但是功能区外部NDVI在0.75上下浮动,高于功能区外部(0.6左右)。同时,基于标准差来看NDVI稳定性,功能区内部NDVI标准差明显低于外部NDVI标准差。尽管两个样本空间均值有所差异,但功能区内部NDVI标准差在2000-2013年间表现出逐渐降低的变化特征,变化趋于稳定。说明功能区内部陆表植被长势的稳定性明显优于功能区外部,受干扰较小(图9)。
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图92000-2013年海南岛重点生态功能区内外NDVI均值和标准差变化统计特征
-->Fig. 9Statistical characteristics of mean and standard deviation change of NDVI in and out of key ecological function zone of Hainan Island, 1990-2013
-->
3.2.3 生态系统服务功能时空变化特征与成效分析 基于水源涵养量均值和标准差,分析水源涵养量时间序列变化特征。1990-2013年间,功能区内外水源涵养量均表现为轻微增加趋势。1990-2000年与2000-2010年间,水源涵养量均表现先减少、后增加的变化特征,2010年之后,水源涵养量基本表现为逐渐增加的变化特征(图10)。从标准差变化来看,功能区内水源涵养量标准差明显低于功能区外涵养量标准差,功能区内水源涵养服务功能变化表现更为稳定,抗干扰性更强(图8)。
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图101990-2013年海南岛重点生态功能区内外水源涵养量均值和标准差变化统计特征
-->Fig. 10Statistical characteristics of mean and standard deviation change of water conservation in and out of key ecological function zone of Hainan Island, 1990-2013
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以1990-2000年(S1)、2000-2010年(S2)和2010-2013年(S3)3个时间段,分别对海南岛中部山区热带雨林生态功能区内外县市水源涵养量均值分类统计(图11)。S1、S2和S3这3个时间段内,功能区内部4个县市水源涵养量均值都明显高于外部县市,空间上显示出从功能区内部到外部,梯度减少的变化特征。对比3个时间段,整个海南岛水源涵养量均值有所提高,与图8结果相一致。从时间变化来看,功能区内部4个县市水源涵养量在3个时间段均值分别为42.48万m3/km2、42.86万m3/km2和48.88万m3/km2,变化幅度分别为0.38万m3/km2和6.02万m3/km2。而功能区外部17个县市水源涵养量在3个时间段均值分别为27.05万m3/km2、27.91万m3/km2和31.82万m3/km2,变化幅度分别为0.86万m3/km2和3.91万m3/km2(图11)。因此,尽管功能区内部、外部区域水源涵养量均值都有所提高,但从S2-S3水源涵养量均值增幅来看,功能区内部水源涵养量增幅明显高于外部增幅。这在一定程度上反映了重点生态功能区对区域内水源涵养服务功能的提升作用。
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图11不同时间段水源涵养量均值统计特征
-->Fig. 11Statistical characteristics of mean water conservation in different time periods
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基于年土壤保持量均值和标准差,分析土壤保持量时间序列变化特征。1990-2013年间,功能区内外土壤保持量均表现为轻微增加趋势。但分时间段来看,1990-2000年与2000-2010年间,土壤保持量均表现先减少、后增加的变化特征,2010年之后,功能区外部土壤保持量基本表现为逐渐增加的变化特征,但功能区内部保持量依然为先减少、后增加(图12)。值得注意的是,由于功能区内部和外部土壤保持量差一个数量级,因而在标准差变化图中,功能区内土壤保持量标准差明显高于功能区外保持量标准差(图12)。
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图121990-2013年海南岛重点生态功能区内外土壤保持量均值和标准差变化统计特征
-->Fig. 12Statistical characteristics of mean and standard deviation change of soil conservation in and out of key ecological function zone of Hainan Island, 1990-2013
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以1990-2000年(S1)、2000-2010年(S2)和2010-2013年(S3)3个时间段,对海南岛中部山区热带雨林生态功能区内外县市土壤保持量均值分类统计(图13)。S1、S2和S3这3个时间段内,功能区内部4个县市土壤保持量均值都明显高于外部县市,空间上显示出从功能区内部到外部,梯度减少的变化特征。对比3个时间段,整个海南岛土壤保持量均值有所提高,与图10结果相一致。从时间变化来看,功能区内部4个县市土壤保持量在3个时间段均值分别为15296 t/km2、16972 t/km2和19390 t/km2,变化幅度分别为1576 t/km2和2419 t/km2。而功能区外部17个县市土壤保持量在3个时间段均值分别为4560 t/km2、5328 t/km2和6214 t/km2,变化幅度分别为769 t/km2和886 t/km2(图13)。因此,尽管功能区内外区域土壤保持量均有所提高,但从S1-S2、S2-S3土壤保持量均值增幅来看,功能区内部土壤保持量增幅均明显高于外部增幅。这在一定程度上反映了重点生态功能区对区域内土壤保持服务功能的提升作用。
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图13不同时间段土壤保持量均值统计特征
-->Fig. 13Statistical characteristics of mean soil conservation in different time periods
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1990-2013年,海南岛人类扰动指数增加了0.0129。空间分布来看,各县市中心、沿海等地区由于城镇化等土地利用变化,人工建设用地大面积占用其他生态系统类型,人类扰动程度逐渐强烈,变化幅度明显。此外,海南岛南部和北部的局部地区人类扰动程度出现一定程度的降低。从各县人类扰动程度变化来看,乐东黎族自治县和白沙黎族自治县人类扰动程度变化幅度最小,呈现一定的下降趋势,其他19个区县均呈现增加趋势,其中龙华区人类扰动程度变化幅度最大(近0.0749)。龙华区、秀英区、美兰区和琼山区等4个县市高于全岛平均人类扰动变化幅度,文昌市和儋州市与全岛平均人类扰动变化幅度相当,其他县市则低于全岛平均人类扰动变化幅度(图14)。
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图141990-2013年海南岛人类扰动指数变化空间分布
-->Fig. 14Spatial distribution of human disturbance index of Hainan Island in 1990-2013
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海南岛中部山区热带雨林生态功能区内部4个县市1990-2013年人类扰动指数变化幅度为0.0029(图15)。功能区周围9个县市的人类扰动指数变化幅度为0.0049,高于生态功能区内部的变化幅度,约为功能区内部变化幅度的1.71倍。功能区外部的17个县市的人类扰动指数变化幅度为0.0152,远高于功能区内部的变化幅度,约为功能区内部变化幅度的5.31倍,这主要是由于功能区外部城镇化明显,加剧了人类扰动。从1990-2000年、2000-2010年、2010-2013年3个不同时段来看,重点生态功能区内部人类扰动指数的变化幅度明显小于外部,内部对生物多样性威胁程度的增加幅度明显小于外部,空间上也形成了梯度效应(图15),这也在一定程度上体现了生态功能区的保护成效。
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图15不同时间段人类扰动指数变化统计特征
-->Fig. 15Variation statistical characteristics of human disturbance index in different time periods
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4 结论与讨论
4.1 结论
海南岛中部山区是较早实施生态功能保护的重点管控区域之一。本文以海南岛中部山区热带雨林重点生态功能区为研究区域,综合利用多源卫星遥感数据和地面观测统计数据,集成地统计学和生态评估模型模拟方法,以生态系统格局、植被长势、服务为评估核心内容,通过时空尺度拓展和多维时空对比,探讨了该重点生态功能区生态系统变化和保护成效。主要结论如下:(1)2013年,海南岛森林面积占比为25.7%,功能区内森林面积占比为84.5%,功能区内森林生态系统显著高于全岛平均水平。1990-2013年期间,功能区内建设用地逐渐增加。而且在2010年功能区实施之后,人类活动强度仍然呈现持续增加态势主要表现为城镇建设和耕地开垦。
(2)功能区内部水源涵养服务功能明显优于功能区外部。2013年,功能区内部单位面积的水源涵养量为51.78万m3/km2,明显高出功能区外部(32.97万m3/km2)。水源涵养量最大县市均位于功能区内部,分别为保亭县、五指山市和琼中县,单位面积的年水源涵养量均高于53万m3/km2。1990-2013年间,海南岛水源涵养服务功能总体上有所增加,但年际波动变化明显。功能区内部水源涵养服务功能变化稳定性较好。从1990-2000年(S1)、2000-2010年(S2)和2010-2013年(S3)3个时间段来看,2010年后,功能区内部水源涵养量增幅明显高于外部增幅,反映了重点生态功能区对区域内水源涵养服务功能的提升作用。
(3)功能区内部土壤保持服务功能明显优于功能区外部。2013年,功能区单位面积的土壤保持量为19540 t/km2,明显高出功能区外部(6339 t/km2)。土壤保持量最大县市均位于功能区内部,分别为五指山市、保亭县和琼中县,单位面积的年土壤保持量均高于18100 t/km2。1990-2013年间,海南岛土壤保持服务功能总体上有所增加,但年际波动变化明显。从1990-2000年(S1)、2000-2010年(S2)和2010-2013年(S3)3个时间段来看,2000年以后的两个时间段,功能区内部土壤保持量增幅均高于外部增幅,并且2010年后的增幅更为明显,反映了重点生态功能区对区域内土壤保持服务功能的提升作用。
(4)功能区内部人类扰动指数明显小于外部,生物多样性威胁程度明显偏小、有利于生物多样性的保护。功能区内部平均人类扰动指数为0.3664,比功能区外部平均人类扰动指数低0.1152。1990-2013年间,功能区外部人类扰动指数变化幅度为0.0152,约为功能区内部变化幅度的5.31倍。分别从1990-2000年、2000-2010年、2010-2013年3个时段来看,功能区内部人类扰动指数的变化幅度明显小于外部,内部对生物多样性威胁程度的增加幅度明显小于外部增幅,2010年后威胁程度增幅差异更大。这也在一定程度上体现了重点生态功能区的对生物多样性维持功能的保护效果。
4.2 讨论
耦合生态状况变化和生态转移支付资金投入来看,2010年之后重点生态功能区生态状况保持向好态势,且明显优于功能区外部县市,生态转移支付资金和生态工程的实施对于重点生态功能区的生态系统格局和服务功能发挥了积极作用。2006-2010年省财政通过转移支付补偿中部山区累计投入超过2亿元,2008年将白沙、琼中和保亭等3个中部山区市县纳入中央财政生态转移支付范围,2009年将白沙、琼中、昌江、乐东、东方、保亭、三亚、陵水、五指山等9个中部山区市县列入中央生态转移支付范围,截至2013年中央财政生态转移支付资金共26.8亿元。同时,2009年之后,也启动实施了天然林保护和造林绿化工程、水土流失防治工程、生态示范创建等生态工程建设。本文综合利用1990-2013年多源卫星遥感数据和地面观测统计数据,集成地统计学和生态评估模型模拟方法,以“综合状况—变化趋势”为评估模式,以生态系统类型构成与空间分布、植被长势、生态系统服务等为区域生态状况评估内容,以生态系统状况变化和稳定性为区域保护成效评估主线,通过时空尺度拓展和多维时空对比,从区域尺度上有效评估了重点生态功能区生态系统变化与实施成效,反映出区域中多重生态保护政策与工程实施的综合结果。因此,在今后的研究中,需进一步优化生态系统服务功能评估模型,提高空间分辨率,厘清不同生态保护对策与工程的相对贡献,为因地制宜的开展生态保护措施提供科学评估依据。The authors have declared that no competing interests exist.